Induksjonsvarmer, tankkoblingen.

Det finnes forskjellige måter å koble 'coilen' på. Serieresonant legger all reaktiv strøm gjennom transistorene mens parallellresonant lar reaktiv strøm flyte uhindret mellom L og C i kretsen. Generellt sett brukes serieresonant for lavere effekter (riskokere), mens parallellresonant brukes for høyere effekter(smelteovner etc).

Det fine med serieresonant er at resonantfrekvensen er den eneste frekvensen som presenterer en lav impedans. Dette er problemet med parallellresonant, her presenteres en lav impedans for alle frekvenser over og under resonansfrekvensen. Siden en firkantpuls inneholder mange overharmoniske må en induktor kobles i serie for å dempe høyere frekvenser.

Koblingen, varmeoverføringen til emnet, er avhengig av coildesign. En coil som sitter tettere på emnet  vil være mer effektiv. For min første coil har jeg en ganske stor diameter, tre runder med denne gir 1,85uH.

For en kjapp briefing innen serieresonans er denne application noten fin: AN-9012.
Videre snakkes det kun rundt parallellresonant.

Selve kretsen

Magnitude (Ω) som funksjon av frekvens.

Closeup av resonansområde, med fase.

Her er AC-simulering av tank-kretsen. Som det ses finnes det en resonansfrekvens på ca 41KHz. Under dette er det et kapasitivt område (merket i rødt på figuren over), der liker MOSFETene seg dårlig (strøm først, deretter spenning). Ved resonansfrekvensen vil lasten være ren resistiv, men å legge seg litt inn i det induktive området hjelper på switchingen av MOSFETene. Under kontrolldelen, som kommer, vil det forklares nærmere hvordan tankkoblingens egenskaper utnyttes for å variere effekten.

Lodding på svære kobbergreier er vanskelig.

Min første 'skikkelige' tankkrets er denne som er laget av et kobberrør og polyetylen-kondensatorer. Polyetylen er langt fra optimalt i en induksjonsvarmer, så en større kondensator (Metallisert polypropylen) skal komme på plass etterhvert. Det er totalt 30 kondensatorer, 3 i serie med 10 sånne i parallell. Hver kondensator er 2,5uF, så tilsammen blir det 8,3uF. Slik jeg skjønner det er disse kondensatorene beregnet for inngangsfiltrering til en SMPS, derfor er dV/dT noe begrenset - derfor tre i serie for å begrense problemet.

Hvordan det går videre er bare å prøve og potensielt feile.

Induksjonsvarming: Høyfrekvent halvbro 'chopper' med MOSFETs.

Øverst vises symbolet for en IGBT, men nok om det. Det finnes flere måter å 'hakke' opp forsyningsspenningen til høy frekvens. Halvbrometoden nyttes i mange applikasjoner, denne kretsen kunne bli brukt som en buck-converter.

Halvbroen vil kjøres med en fast 50% duty-cycle mellom transistorene. MOSFETene blir kjølt ned via små kobberrør som det sirkulerer kaldt vann gjennom, metallisk kontakt bør gi god evne til å kvitte seg med varmen; hovedsakelig fra I^2*R tap i transistorene.

Kretsskjema som jeg brukte for tillaging av pcb.

En rask oppsummering av de forskjellige delene. (Verdiene som står på er urelevante).
R1, R2: Motstander som begrenser stømmen. Rask 'switching' er bra, men for rask så støter man på problemer med små induktanser og høy dI/dT (som gir 'ringing').
J2: Kontakt til XMEGA. PWM signaler til mosfetdriveren, feedback fra strømsensor.
U3, U4: MOSFETs, IRFP2907.
U2: Allegro strømsensor, Allegro ACS759.
Cboot: Bootstrapkondensator.
Cdec1: Avkobling for strømsensoren.
Cdec2: Avkobling for mosfetdriveren.
Cdec3: Avkobling for kraftkilden.
27200: Mosfetdriveren, UCC27201.

Mosfetdriveren har en intern 'bootstrap' diode, 'bootstrapping' fjerner behovet for en isolert forsyning til den øverste MOSFETen. Bootstrapping fungerer ved at bootstrapkondensatoren lades opp når den nederste transistoren er på. Som en konsekvens kan man ikke ha en duty cycle på 100% (men nært opptil går bra).

Bootstrap, visualisert med paint skillz

Alt, forutenom strømsensoren, er uisolert i denne kretsen. Mange bruker mye tid og energi på å isolere de forskjellige delene av kretsen fra hverandre, med grunnlag at om en del feiler; vil den ta med seg mange andre deler. Et eksempel: Den øverste MOSFETen feiler med alle tre bein kortsluttet, noe som gir full 'kraftkildespenning' inn på HO og HS (i figuren over), dette vil drepe mosfetdriveren. Er du uheldig vil videre interne kortslutninger i mosfetdriveren spre høy spenning videre til 3V3 logikk som også forulykker.

Bakdelene med isolering er enda flere feilkilder og tidsforsinkelser. Uisolert feiler, potensielt, hardt når 'shit hits the fan', men presterer bedre, er billigere og enklere enn isolerte kretser.

Strømsensoren som brukes.

Strømsensoren jeg bruker gir ut halvparten av forsyningsspenningen for 0A. Enkel strømsampling og tilkobling til logikk gjør at jeg heller bruker en sånn enn en shunt og masse op-amps.

Med god hjelp fra Øyvind fra Elektra, fikk jeg frest denne pcb'en. Desverre har jeg ikke originalfilen som ser bedre ut, men den gir en idè om hvordan utlegget ser ut.

Gerberviewer.

Pcben bærer preg av prototyping. Kondensatorer ble valgt ut etter en rask sjekk på et kapasitansmeter. Motstander til MOSFET-gatene var vriene å få til å ligge helt som jeg ville, men gikk med litt plundring. - neste gang vil jeg bare bruke overflatemonterte deler.

Ved første test av halvbroen fungerte den ikke. Signalet fra XMEGAen var fint, men det var ikke noe action på andre siden av mosfetdriveren. Så da ble jeg sittende flere timer med testing av mosfetene på kortet. Etter mye om å men var alle diodeovergangene (pn-junctions) friskmeldt og kretskortet var også testet for kortslutninger. Begynte å bli sent, så dro hjem.

Heldigvis slapp jeg å gå til sengs med dette uløst, etter å ha gått over delene fant jeg ut at mosfetdriveren er UCC27200 og ikke UCC27201 (som det egentlig skulle være). CMOS og TTL har blitt blandet her, med resultat at TTL nivåer (ut fra mikrokontrolleren) aldri nådde høyt nivå for CMOS. Enkel feil, men det tok sin tid å finne ut av. Mosfetdriveren er fjernet vha dremel i bildet under.

Det var innledende om dette steget, mer vil sikkert komme.

Induksjonsvarming: Kraftkilde, isolasjon og likeretting.

Jeg vurderte tre forskjellige metoder for å fullføre disse to stegene.

Modifisering av dataPSU:

• Enkel modifisering, innebygd kjøling og noe værn.
• Isolert.
  
• Lite effekt. Lav spenning (12V).

Jeg har sett serverforsyninger på 48V og masse strøm, disse har høy effekt i forhold til vanlige dataPSUer. HP ESP120 (51V57A) (5-6kg) har jeg sett meg ut som en oppgradering til det jeg bruker nå. Disse ligger ute til 40 dollar på ebay. Midt i blinken vil jeg si. En stabil spenning gjør strøm-samplingen lettere, samt vil det være mindre tap i MOSFETene sammenlignet med en likerettet sinus. Hvis du bygger en mindre induksjonsvarmer vil jeg anbefale en modifisert dataPSU.

Likeretting av 'mains':

• Veldig enkelt.
• Høy spenning. (370Vpeak)
• Uisolert.

Anbefaler den ikke, men vil sikkert fungere greit med passende transistorer. IGBT er vel best ved slike spenningsnivå, men det finnes MOSFETS som 'funker greit'. Farlige spenningsnivå, så anbefaler en av de andre alternativene.

Modifisering av en gammel pinneinverter:

• Enkel modifisering, høy effekt og passende spenning (48Vnom, 68Vpeak).
• Isolert.
• Kan gå varm, dårlig med værn.

Jeg gikk denne veien. Grunnen til at jeg valgte denne var at jeg hadde en stående. Dette er egentlig bare en svær step down transformator som gir 48v nominellt ut. En fullbrolikeretter
begrenser strømmen noe, men en likeretter med MOSFETS (aktiv likeretter) er planlagt (om jeg ikke kjøper en serverpsu istedenfor).

Her er et bilde av sveisen, åpnet opp:

Induksjonsvarming, systemoversikt.

Induksjonsvarming har alltid interessert meg, snart er jeg ferdig med min første kraftige (~3,5kW) induksjonsvarmer. At du kan varme opp noe uten å være i kontakt med det muliggjør mye rart. Selv planlegger jeg smelting av titanium under en beskyttet atmosfære. Mange har utvist stor interesse rundt prosjektet mitt (hei peeps @ elektra), så jeg tenker skrive mer rundt det.

Bestanddelene av en induksjonsvarmer. Figur sakset fra AN-9012.

Over vises 5 sentrale steg, kontroll er ikke vist. Disse emnene blir delt opp i 4 forskjellige artikler som tar for seg min praktiske tilnærming til dem:

• Kraftkilde, isolasjon og likeretting. (del 1 og 2 i figur)
• Høyfrekvent halvbro 'chopper' med MOSFETS. (del 3)
• Tankkrets. (del 4 og 5)
• Kontrollmåte. (vist under)

Forenklet skjema av kontrollkoblingen.

De forskjellige undersystemene er så godt som ferdige, når alle undersystemene fungerer som de skal - er forhåpentligvis resultatet noe lignende under:

Mange forskjellige ressurser fins rundt induksjonsvarming, her kommer de beste:

• Richie Burnett sin side rundt induksjonsvarming. Denne tar for seg forskjellige effektreguleringsmetoder og særlig 'LCLR' tankkoblingen (parallellresonant).
• Mindchallenger byggelogg. Mange sider med lesning. Realisering av en 10kW induksjonsvarmer.
• Induksjonsvarmer for smie. Enda en byggelogg med mye god info. En liten snutt under fra bruk av denne. 
• AN-9012. Application note fra Fairchild, tar hovedsakelig for seg serieresonant, men også smårare parallellresonante krets med en transistor.

Oppdateringer kommer etterhvert.

Kristoffer starter blogg, enda en gang.

Alt er helt på startplan enda, men jeg planlegger at dette blir en blogg der jeg legger ut om elektronikkprosjekter, filosofiske tanker rundt samfunnet vårt og helse. En rar kombinasjon, vil mange si. Helt enig, men jeg håper innleggene mine blir lest med et åpent sinn - for å holde det åpent skal jeg prøve å holde meg saklig, uten at det blir kjedelig sakprosa.